濱海電廠溫排水三維數(shù)值模擬研究

王連接

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

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濱海電廠溫排水三維數(shù)值模擬研究

王連接

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

針對(duì)傳統(tǒng)溫排水平面二維數(shù)學(xué)模型的不足,采用三維斜壓水流數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬溫排水的運(yùn)動(dòng),建立了某電廠溫排水工程近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)耦合的數(shù)學(xué)模型,得到了計(jì)算域內(nèi)的三維潮流場(chǎng)與溫升場(chǎng)。研究結(jié)果表明MIKE3軟件能較好的模擬出實(shí)測(cè)潮流的流速場(chǎng)。海灣內(nèi)溫排水三維分層現(xiàn)象顯著,溫排水溫升包絡(luò)范圍以表層溫升分布為主。

直流冷卻；溫排水；三維數(shù)值模擬

濱海地區(qū)火電廠多采用直流冷卻供水系統(tǒng)。大流量、高熱量的廢水排入海灣中將引起水體溫度的增高,影響到水生物的生存環(huán)境,為此,在采用直流冷卻系統(tǒng)的濱海電廠建設(shè)的前期,需要對(duì)溫排水的影響開(kāi)展詳細(xì)的計(jì)算和分析,以在滿足環(huán)境保護(hù)的前提下,優(yōu)化取、排水口的工程位置以及減少取排水工程量。

二維數(shù)學(xué)模型方面,郝瑞霞采用有限體積法求解二維N—S方程組與RNGk-ε紊流模型給出了感潮河口溫排水的溫度場(chǎng)[1]。嚴(yán)冰采用MIKE 21 FM模型對(duì)馬來(lái)西亞沙巴電廠沿岸往復(fù)流海岸溫排水進(jìn)行了數(shù)值模擬,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,率定了模型參數(shù),建立了水動(dòng)力模型,對(duì)取排水口不同位置方案進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)[2]。三維數(shù)學(xué)模型方面,何國(guó)建采用斜對(duì)角笛卡爾方法推廣應(yīng)用到河口與海岸溫排水三維數(shù)值計(jì)算中,采用了EFDC模塊的σ坐標(biāo)變換和平面正交曲線坐標(biāo)變換,模擬了山東海陽(yáng)核電廠附近的三維水流運(yùn)動(dòng)情況,結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好[3]。彭曉飛利用ECOMSED模式建立了大亞灣潮流三維數(shù)值模型,在此基礎(chǔ)上對(duì)嶺澳核電站與大亞灣核電站合排后溫排水的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算[4]。張繼民運(yùn)用Delft 3D模型對(duì)電廠的擴(kuò)建工程溫排水進(jìn)行了多方案的數(shù)值模擬, 提出了合理的排水口布置方式[5]。王明才在某濱海核電廠溫排水研究的基礎(chǔ)上建立了溫排水三維數(shù)值模型, 利用實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證, 并成功應(yīng)用于工程方案比選[6]。

平面二維數(shù)值模擬不能完全反映溫排水的三維水力熱力效應(yīng),溫排水三維數(shù)值模型有必要應(yīng)用于工程實(shí)踐中。目前，針對(duì)MIKE3三維數(shù)值模擬驗(yàn)證仍比較少,國(guó)內(nèi)尚未有一個(gè)統(tǒng)一應(yīng)用的商業(yè)軟件。有鑒于此,本文利用MIKE3軟件建立了某海域水動(dòng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型,利用實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證, 并將其用于檢驗(yàn)工程方案設(shè)計(jì)排放效果。

1 數(shù)學(xué)模型

采用斜壓淺水方程模擬濱海地區(qū)水動(dòng)力條件,采用對(duì)流擴(kuò)散方程模擬溫度場(chǎng)。

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 定解條件

3個(gè)方向的流速U,V,W在自由表面和底床上的邊界條件為：

1) 在自由表面

z=η

(5)

(6)

2) 在底床

z=-d

(7)

(8)

對(duì)于溫度場(chǎng)計(jì)算,表面和地床的溫度邊界為：

在水表面

z=η

(9)

在底床

z=-d

(10)

1.3 湍流模型及軟件模塊

湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解,原始控制方程在空間上的離散方法采用基于單元中心的有限體積法。

本文采用MIKE 3 FM中水動(dòng)力模塊,該模塊水動(dòng)力模塊可計(jì)算多種外力和邊界條件驅(qū)動(dòng)下的水流和溫鹽分布情況。

模型計(jì)算中可給定的模擬區(qū)域內(nèi)的溫度、鹽度初始場(chǎng),求解溫度和鹽度的對(duì)流擴(kuò)散方程式。如采用大氣熱交換功能,在程序中需設(shè)定氣溫℃、相對(duì)濕度%和晴空指數(shù)%。本文計(jì)算中暫不考慮降雨及蒸發(fā)、冰蓋影響。

2 工程算例

某電廠的廠址位于地理坐標(biāo)為北緯21°30′45″、東經(jīng)111°33′09″(在圖1的L11測(cè)站附近)。電廠機(jī)組冷卻水取自海水,采用直流供水系統(tǒng)。

圖1 某電廠示意圖及潮位站布置示意

2.1 潮位

該廠址所在海區(qū)的潮型屬正規(guī)半日潮,即1 d兩漲兩落。廠址所在海區(qū)潮位征值如下：

根據(jù)1 a(2008年10月—2009年9月)的潮位觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到廠址福湖嶺站的潮位特征值見(jiàn)表1(基面為1985國(guó)家高程基準(zhǔn))。

表1 潮汐特征值統(tǒng)計(jì)表項(xiàng)目

2.2 計(jì)算域及計(jì)算網(wǎng)格

本數(shù)值模擬目標(biāo)區(qū)域?yàn)橐詮S址為中心,順岸南、北向各6 km,離岸6 km的開(kāi)邊界近岸海域。計(jì)算網(wǎng)格的尺度能反映水工構(gòu)筑物及沿岸地形對(duì)所研究的細(xì)部流場(chǎng)和物質(zhì)輸運(yùn)的影響,采用水平平面上曲線正交網(wǎng)格,最小網(wǎng)格高約100 m,垂向按σ坐標(biāo)分為10層,均勻等分。

2.3 計(jì)算參數(shù)取值

海床糙率系數(shù)n,可依據(jù)專門(mén)的試驗(yàn)確定,或依具體的對(duì)象在研究時(shí)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以確定。本數(shù)值研究取為0.02～0.025。水流渦粘性系數(shù),取值1～5 m2/s。 濃度橫向擴(kuò)散系數(shù),隨具體水流等環(huán)境的變化,物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化,本次計(jì)算中D的取值范圍為5～15 m2/s。考慮大氣熱交換,氣溫取值25 ℃、相對(duì)濕度取88%、晴空指數(shù)取70%。本次計(jì)算中只考慮溫度引起的水密度的變化。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 潮位驗(yàn)證

圖2為大潮和小潮時(shí)福湖嶺站的計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的對(duì)比,可以看出工程區(qū)潮位站的計(jì)算水位,無(wú)論相位或振幅都與實(shí)測(cè)值有較好吻合。

圖2 福湖嶺潮位驗(yàn)證

2.4.2 流速、流向驗(yàn)證

選擇4個(gè)實(shí)測(cè)流速點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行表層、中層、底層流速、流向驗(yàn)證, 限于篇幅本文選擇L11測(cè)站說(shuō)明流速驗(yàn)證情況(見(jiàn)圖3)。結(jié)果表明：除個(gè)別時(shí)段外,各站流速、流向的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。模型能反映了工程附近海域的整體流態(tài),模型參數(shù)基本合理,能較好地反映計(jì)算水域的原體潮流運(yùn)動(dòng)特征,模型計(jì)算流場(chǎng)與原體流場(chǎng)基本相似。

圖3 L11號(hào)測(cè)站大潮位流速值驗(yàn)證

2.5 計(jì)算方案與計(jì)算條件

電廠共6臺(tái)機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組循環(huán)水量約為66.89 m3/s,循環(huán)冷卻水排水溫升8.0 ℃。取水方案：采用明渠取水,渠首設(shè)在廠區(qū)東部海域,取水明渠沿岸線布置,渠底標(biāo)高-6.00 m,渠底寬分別為60 m(2臺(tái)機(jī))、90 m(4臺(tái)機(jī))、120 m(6臺(tái)機(jī))。 排水方案：溫排水利用箱涵或隧道接入排水明渠排放。排水明渠底標(biāo)高-4.00 m,底寬120 m(如圖4所示)。

圖4 工程取排水方案

2.5.1 取水口溫升

取水溫升見(jiàn)表2。

表2 取水口前全潮平均溫升沿垂向分布(取水口斷面平均溫升為0.81 ℃)

表2可知受納水體垂向溫升分布變化顯著,溫升主要集中在表層。這是由于廠址工程水域水體相對(duì)較深,溫排水分層現(xiàn)象顯著,故數(shù)值模擬需采用三維模型進(jìn)行計(jì)算。

由于排水方案采取明渠西排,把溫排水向西輸送到遠(yuǎn)岸,在漲潮時(shí)對(duì)近岸區(qū)域的影響減小。同時(shí)采用明渠取水的方案,排水口的布置與取水口的距離3.5 km,故取水口處的取水溫升僅達(dá)0.81 ℃。故該方案利用了導(dǎo)流明渠極大了消減了溫排水的影響。

2.5.2 溫升場(chǎng)

圖5為大潮落急時(shí)的溫升場(chǎng),可以看出排水口附近溫升垂向分層現(xiàn)象較為明顯,擴(kuò)散范圍和流向受潮流場(chǎng)和排水場(chǎng)的影響。由于溫排水排放口位于中層,因而中層溫排水的溫升最高,超過(guò)了1.65 ℃。由于水面散熱的作用,水面表層的溫升比中層的要低,最大溫升約低0.69 ℃。

圖5 大潮全潮平均等溫升線包絡(luò)面積表層溫升場(chǎng)

表3表明取水口處溫升主要集中在表層,溫排水分層現(xiàn)象顯著,溫升線包絡(luò)范圍主要集中在表層,這是由于熱水排水之后密度相對(duì)冷水小,在湍浮力的作用下向表層擴(kuò)散。

表3 大潮位下平均等溫升線包絡(luò)面積 km2

3 結(jié)論

本文利用DHI MIKE3軟件建立了三維斜壓水流模型對(duì)某熱電廠的溫排水?dāng)U散進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,利用實(shí)測(cè)潮位條件和海底地形資料,計(jì)算得到了大潮潮流流速場(chǎng),計(jì)算結(jié)果表明海灣內(nèi)水動(dòng)力場(chǎng)和溫排水近區(qū)三維分層現(xiàn)象明顯,與實(shí)測(cè)潮流場(chǎng)符合得較好,MIKE3軟件能較好的模擬出實(shí)測(cè)潮流的流速場(chǎng)。同時(shí)，計(jì)算了某電廠溫排水溫升場(chǎng),表明溫排水分層現(xiàn)象顯著,溫排水溫升包絡(luò)范圍以表層溫升分布為主。

[1] 郝瑞霞,齊偉,李海香，等.潮汐水域流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,36(3)：235-237．

[2] 嚴(yán)冰,張娜,趙洪波，等.沿岸往復(fù)流海岸電廠平面二維溫排水?dāng)?shù)值模擬研究[J].水道港口,2011,32(4): 291-296．

[3] 何國(guó)建.潮汐影響下電廠溫排水運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008,27(3)：125-131．

[4] 彭曉飛.大亞灣海域溫排水三維數(shù)值模擬研究[D].廣州：中山大學(xué),2008．

[5] 張繼民,張新周,湯紅亮,等. Delft3D在海灣電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江,2009(1):59-62．

[6] 王明才,倪培桐,張曉艷. 某濱海核電廠溫排水三維數(shù)值模擬[J]. 廣東水利水電,2011(6):1-4．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Three-Dimensional Numerical Simulation for Thermal Discharge of Offshore Power Plant

WANG Lianjie

(Guang Dong Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China)

To overcome the shortcoming of the two dimensional model, a three dimensional baroclinic flow ma-thematics model is used to simulate the movement of thermal discharge. The mathematics model for thermal discharge of some thermal power plant is developed for the far field and near field. The calculation and its verification show that the calculated processes of tidal level and current fairly well coincide with field data in MIKE3. Three-dimensional layered phenomenon of the thermal discharge water is obvious, and The thermal discharge envelope scope is focused on the surface.

once-recycle； thermal discharge； three numerical simulation

2016-04-21;

2016-06-15

王連接(1988),男,碩士,工程師,從事電廠工程設(shè)計(jì)及流體動(dòng)力學(xué)研究工作。

TV67

A

1008-0112(2016)06-0001-05